基于UG的凹模零件加工工艺分析及轨迹优化

张群威 冯凯

摘 要：在数控加工过程中，刀具运动轨迹的设计对零件的加工质量有很大的影响，本文分析了凹模零件的加工工艺，并且对铣削加工的刀具运动轨迹进行优化，基于UG生成各种运动轨迹，对各种轨迹的特点进行了分析。在理论分析的基础上通过实验研究，以切削力波动小，表面质量精度高为目标快速设计出适合加工要求的刀具运动轨迹，优化刀具运动轨迹对提高加工效率、降低生产成本及提高精度具有重要意义。

关键词：加工工艺；轨迹；优化；凹模

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.010

0 引言

随着制造技术的发展，各种先进制造工艺正逐渐应用于生产系统中。并且制造系统的发展方向也发生了变换，逐渐向着数字化、集成化和网络化的方向发展。在现代加工制造过程中，先进的数控加工设备是制造系统的核心内容，对制造系统的精度和稳定性有着至关重要的影响。数控加工技术是现代生产加工技术的基础与关键。在生产过程中，切削加工工艺参数及刀具运动轨迹的优化可以有效的发挥数控加工设备生产效率。

1 工艺分析

随着技术的发展，轻量化是零件设计优化的一个重要方向，薄壁零件具有重量轻、结构强度好等优点，但加工困难，也是生产中经常遇到的一个难题，图1所示为实际生产中的一种小型薄壁零件，材料为硬质铝合金。该零件凸台壁厚不足2mm，并且大部分形状尺寸都有较严的公差要求，属于整体薄壁结构，强度较差。因此，如何保证零件尺寸、提高结构强度及形状位置精度是加工工艺设计的难点。

本文以图1所示的凹模零件为基础，主要进行了基于加工特征的刀具选样的分析。在此基础上，建立了基于加工特征的铣刀选择规则，从而实现数控刀具的优选，并将数控加工刀具轨迹进行优化。

数控加工工艺设计的一个重要环节就是刀具运动轨迹的确定，运动轨迹的设计也是影响零件的加工质量的重要因素。本文以切削力波动小，表面质量精度高为优化目标针对典型凹模零件的铣削加工对几种刀具轨迹进行分析。以控制切削力波动为基础，通过对键槽铣刀的切削力进行理论与试验研究，选择并优化了切削力波动最小的刀具运动轨迹。

2 轨迹优化

在切削加工过程中，刀具运动轨迹是刀具相对于被加工件的运动路线和方向。 对各种数控设备而言，刀具运动轨迹生成是数控编程的基础和关键内容，本文对此进行了分析研究，并且针对加工对象的不同结构特点提出了许多实用的刀具运动轨迹生成方法，具有重要的应用价值。

2.1 行切法轨迹分析

在型腔铣削加工过程中，型腔是指具有封閉边界的平面凹坑，并且在封闭边界的内部可能有一个或多个岛屿，我们以二维型腔（型腔底面为平面）为分析对象。那么型腔的加工内容主要包括两部分：型腔区城的加工与轮廓的加工，一般采用键槽铣刀进行加工。加工过程主要有两个步骤，第一步加工内腔，第二步铣削轮廓。铣削轮廓一般先进行粗加工然后再精加工。并且刀具运动轨迹要从型腔边界轮廓向岛屿轮廓偏置铣刀半径R进行补偿，还要留出精加工余量，这是计算内腔区城加工刀具运动轨迹的依据。

在内腔加工时，实际生产中常用的两种方法是环切法和行切法两种走刀路线。行切法加工刀具运动轨进如图3所示，这种方法的刀具运动轨迹计算相对比较简单，首先根据型腔轮廓和步距计算各行的刀具运动轨迹，然后再沿轮廓的边界将各行刀具运动轨迹有序的连接起来。

2.2 环切法轨迹分析

环切法加工时，刀具一般沿型腔边界轮廓，并且根据设定的步距走等距线，如图3所示。刀具既可以由外向内进行环切也可以由内向外进行环切，在这个过程中，铣刀的铣削方式不变。环切法加工刀具运动轨迹本质上就是平面封闭轮廓曲线的等距线计算。当然如果轮廓包含有自由曲线或者含有岛屿的封闭曲线，那么刀具运动轨迹的计算就应该考虑等距线的自交与互交。刀具切削运动轨迹的长度就是各等距线的长度之和。

衡量行切与环切走力路线的优劣要从加工效率、走刀路线长度以及代码质量等方面进行分析。还要根据型腔边界的尺寸、岛的数量以及具体形状等情况。并且型腔加工还可采用行切和环切混合的走刀方式， 通过采用各种不同的走刀方式，以加工时间最短作为评价目标进行比较，原则就上可获得最优的走刀方案。

3 结论

本文主要分析了数控铣削加工过程中的刀具运动轨迹，并且以较小切削力波动、降低表面粗糙度为目标，测得切削力后对各种刀具运动轨迹的数值进行分析优化，完成了以下工作：

（1）完成了以切削力波动和表面粗糙度为目标的刀具运动轨迹的单目标优选。

（2）基于UG分析了刀具轨迹和切削力的关系：随着曲率的增大，切削力在不断减小。

（3）基于UG在分析切削力的基础上对刀具轨迹进行优化。

参考文献：

[1]周炜.UG NX 8.0应用与实例教程[M].人民邮电出版社，2015.

[2]霍苏萍.数控铣削加工工艺[M].北京：人民邮电出版社，2016.

[3]程启森.数控加工工艺编程与实施[M].北京：北京邮电大学出版社，2016.